La carriera di Hartmann abbraccia più di 40 anni, dal lavoro nei primi anni ’60 con Gerard Kuiper sul Mare Orientale, e il lavoro sul progetto di mappatura di Marte Mariner 9, fino al lavoro attuale nel team di imaging Mars Global Surveyor. Attualmente è uno scienziato senior presso il Planetary Science Institute.

È stato a lungo uno dei principali artisti spaziali americani (fortemente influenzato da Chesley Bonestell), e ha scritto e illustrato numerosi libri sulla storia della Terra e del sistema solare, spesso in collaborazione con l’artista Ron Miller.

Hartmann è un membro dell’Associazione internazionale degli artisti astronomici. Il suo lavoro scritto include anche libri di testo, narrativa breve e romanzi, il più recente è stato pubblicato nel 2003. Nel 1997 è stato il primo destinatario della Carl Sagan Medal for Excellence in Public Communication in Planetary Science della American Astronomical Society, Division for Planetary Sciences.

Hartmann è stato membro del 1966-1968 University of Colorado UFO Project (informalmente noto come il Comitato Condon), un controverso studio pubblico sugli UFO sponsorizzato dalla U.S. Air Force. Indagò principalmente sulle prove fotografiche, e ne respinse la maggior parte come inaffidabili o inconcludenti; nei suoi studi pubblicati nel rapporto finale del Comitato, concluse che due casi – Great Falls (immagini in movimento di due sorgenti luminose difficili da conciliare con aerei conosciuti) e McMinnville (due fotografie di un velivolo a forma di disco) – erano inspiegabili e particolarmente degni di nota come prova probatoria della realtà degli UFO.

L’asteroide 3341 Hartmann prende il suo nome.